土的物理性质

表征土的矿物组成、结构和物理状态等性质的量。土的物理性质能够反映土的形成环境、矿物成分、密实程度、稠度状态等特征。物理性质指标用于土的分类和定名、土工计算、土质评价等。

成土矿物

大多数土是岩石风化的产物，组成土的矿物称为成土矿物。岩石经物理风化作用形成的成土矿物称为原生矿物，主要有石英、长石、云母等；岩石经化学风化作用形成与母岩成分不同的成土矿物称为次生矿物；土中的动植物遗骸和腐殖质称为有机质。原生矿物一般颗粒较大，呈浑圆状或菱角状，是粗粒土的主要成土矿物；次生矿物一般颗粒极细，多呈薄片状，是黏土颗粒的主要成分，因此，有时直接称次生矿物为黏土矿物，实际上次生矿物除黏土矿物外，还包含次生氧化物。土体中的黏土矿物主要是高岭石、伊利石和蒙脱石。土中的有机质对土的力学性质有极大影响。

土的三相组成

土体由成土矿物组成土的固体骨架，同时土体中含有大量的孔隙，土的孔隙由液体和（或）气体充填。土的固体骨架、孔隙水和孔隙气体称为土的三相。当土的孔隙中仅含液体时，称为饱和土，土的孔隙中仅含气体时，称为干土，饱和土和干土称为二相土；当土中同时存在液体和气体时，称为三相土或非饱和土。

土中的水和气

土体中的液体一般是水，称为孔隙水，孔隙水中含有各种溶解质。土中孔隙水含量（常用含水率表示）多少、溶解质的种类和浓度对土的变形和强度特性有大的影响。对黏土颗粒，孔隙水与土粒间存在活跃的吸附反应，据此可将黏性土中的孔隙水分为吸着水、毛细管水、重力水等3类。

（1）吸着水。存在于黏土颗粒表面，主要受黏土颗粒表面负电荷的静电引力控制的水。它是黏土具有可塑性、流变性、膨胀性等工程特性的原因。

（2）毛细管水。在非饱和土中，存在于较细的孔隙（毛细管）中的水，其运动受毛细管吸力和重力共同作用。

（3）重力水。在土的孔隙中，仅受重力作用的水。

用烘干法测定的土的含水率时，其孔隙水包括重力水、毛细管水和部分吸着水（一般称为弱吸着水）。土中的气体成分一般与大气成分接近，通常二氧化碳（CO₂）含量较高，在含有机质的土层中，甲烷等有机气体较多。土体力学性质的多变性是固体颗粒、孔隙水和孔隙气体间比例变化和相互作用的结果。

土的结构和组构

土的结构包括固体颗粒空间排列方式和粒间电作用力两个方面的内容。黏土颗粒间电作用力大小与土粒的矿物成分、孔隙水中阳离子浓度、粒间距离等因素有关。一般土粒的比表面积越大、颗粒所带表面电荷越高，孔隙水中阳离子浓度越高，粒间距离越小，则粒间引力越大。土体中固体颗粒空间排列方式称为土的组构。土的组构受沉积环境、粒组大小和成分等控制。对黏土颗粒，当两个颗粒相互靠近时，粒间电作用力起主导作用。土的组构各种各样，下面是3种极端组构类型：

（1）单粒组构。在沉积过程中，重力起主要作用，其他的力可忽略不计，是砂、砾等粗粒土的代表性组构。

（2）絮凝组构，又称片架组构，是黏土颗粒在阳离子浓度高的咸水中沉积时，颗粒间吸力大，形成团块状沉积的结果。絮凝组构的特征是颗粒间以角、边与面的接触或边与边的搭接为主。

（3）分散组构，又称片堆组构，是黏土颗粒在阳离子浓度低的淡水中沉积时，粒间作用力表现为净斥力，颗粒单独下沉沉积的结果。分散组构的特征是土粒间以面与面接触为主，土体各向异性程度较高，密度较大。

土的膨胀性

又称土的胀缩性，指非饱和黏性土随着含水率的增加或减少，土体体积也显著发生增加或减少的性质。当一种土体体积胀缩性较大时，称该土为膨胀土。当黏性土中蒙脱石含量较高时，一般有较大的胀缩性。

黄土的湿陷性

风积黄土具有高的孔隙率和多的大孔隙，形成蜂窝状构造，颗粒或团块间盐质胶结，遇水后，盐质胶结物溶解，构造破坏，体积缩小，地表发生大的沉降。

土的物理性质指标

表征土的三相比例关系特征数值。常用的有如下6个指标：

（1）土粒比重（G_s）。土粒质量与体积相同的4°C纯水质量的比值，它的大小能反映土的矿物组成。实验室采用浮称法、虹吸筒法和比重瓶法测定。土粒比重一般在2.65～2.75之间。

（2）含水率（含水量w）。土中孔隙水的质量与干土质量比值的百分数。

（3）密度（ρ）。单位体积土的质量。有天然密度、干密度、饱和密度和浮密度之分。

（4）饱和度（S_r）。土中孔隙水体积占孔隙体积的百分数。S_r=0为干土，S_r=100%为饱和土。

（5）孔隙比（e）。土体中孔隙体积与土粒体积的比值。

（6）孔隙率（n）。土体中孔隙体积占总体积的百分率。

粒径和特征粒径

与土粒体积大小等效的圆球的直径称为土的粒径。在土工计算中经常使用的土的粒径称为土的特征粒径，如d₆₀表示土中60%的土粒粒径小于该粒径，同样d₅₀表示土中50%的土粒粒径小于该粒径。一般称d₅₀为平均粒径、d₁₀为有效粒径。

土的级配

土中各粒组的相对含量。当土中含有多个粒组，且每个粒组含量相近时，称该土级配良好，否则称为级配不良。常用不均匀系数C_u=d₆₀/d₁₀和曲率系数C_c=d²₃₀/（d₆₀d₁₀）两个指标判断土的级配。当C_u≥5且C_c=1～3时，称为级配良好；否则称为级配不良。

砂土的相对密实度（D_r）

表征无黏性粗粒土的相对密实程度的指标。计算公式为

式中，e_max、e_min、e分别为土在最松状态、最密实状态和实际状态的孔隙比。0＜D_r≤0.33为疏松状态，0.33＜D_r≤0.67为中密状态，0.67＜D_r≤1为密实状态。

黏性土的稠度

表征黏性土抵抗变形或破坏的能力的指标。常用的稠度指标有液限、塑限和缩限，它们也称为阿太堡（Atterberg）界限含水率。阿太堡据重塑土在不同含水率下不同变形特性，将其分为以下3种状态：①流动状态。重塑土在自重作用下不能保持其形状，发生塑性流动。②可塑状态。重塑土在外力作用下可塑成任意形状而不发生断裂，外力消失后能保持形状不变。③固体状态。重塑土在较小外力时，发生弹性变形；外力大到一定数值，发生断裂。

（1）液限（w_l）。重塑土的流动状态与可塑状态的界限含水率。用碟式仪或圆锥仪测定。

（2）塑限（w_p）。重塑土可塑状态与固体状态的界限含水率。用搓条法或联合测定法测定。

（3）缩限（w_s）。重塑土在固体状态中，含水率减小到一定数值后，土体体积不随含水率进一步减小而变化，这一界限称为缩限。当土的含水率在塑限与缩限之间，称为半固体状态；当土的含水率低于缩限时称为固体状态。

（4）塑性指数（I_P）。表征黏性土可塑性范围的物理量。I_P=w_l-w_p，w_l、w_p用去掉百分数的整数表示，如w_l=65.3%，w_p=27.6%，则I_P=38。黏性土用塑性指数和液限作为土的分类指标。

（5）液性指数（I_L）。表征黏性土所处状态的物理量。I_L=（w-w_p）/（w_l-w_p），当I_L≤0时，土处于坚硬状态；当0＜I_L≤1时，土处于可塑状态；当I_L＞1时，土处于流动状态。

（6）活性指标（A）。表征黏性土中黏土矿物吸附水的能力，A＜0.75为非活性黏土；A=0.75～1.25为正常黏土；A＞1.25为活性黏土。活性指标越高，表示黏土矿物表面吸着水厚度可能达到的数值越大。如蒙脱石吸附水的能力比其他常见黏土矿物高得多。